高超聲速飛行器：穿越云霄的“極速傳奇”

高超聲速飛行器——

穿越云霄的“極速傳奇”

■李海亮　 劉雪濤

人類從未停止對速度的極致追求。

萊特兄弟首次駕馭飛機升空，把人類自由翱翔天空的夢想變成了現(xiàn)實；加加林首次乘坐飛船環(huán)繞地球飛行，揭開了人類探索宇宙奧秘的精彩序幕。

在飛機和飛船這兩個飛行高度之間，還有一個20至100公里的空白區(qū)。自然有其精妙的法則，什么樣的高度，就有什么樣的速度范圍與之相匹配。由此，誕生了一種新的飛行器——高超聲速飛行器。

俄羅斯“鋯石”海基高超聲速巡航導(dǎo)彈（概念圖）。資料圖片

高超聲速飛行器，是指飛行速度遠超聲速的飛行器。這個速度有多快呢？如果想從倫敦飛到悉尼（直飛航程約1.78萬公里），目前的民航客機需要19小時，而高超聲速飛行器能將時間壓縮到3小時以內(nèi)。

高超聲速飛行器自誕生以來，一直受到各國關(guān)注。前不久，美國白宮科技政策辦公室公布了2024年新版《關(guān)鍵與新興技術(shù)清單》，提出了18個重點關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域，高超聲速位列其中。

如何實現(xiàn)高超聲速飛行？高超聲速飛行器需要突破哪些技術(shù)難點?世界各國發(fā)展應(yīng)用情況如何？請看解讀。

高超聲速飛行器面面觀

1946年，錢學(xué)森首次提出“高超聲速”這一概念。根據(jù)他的定義，當飛行器的速度超過5馬赫（即聲速的5倍，約6120公里/小時）時，便可以被視為高超聲速飛行器。

高超聲速飛行器是什么樣的？依據(jù)技術(shù)原理和飛行樣式的不同，高超聲速飛行器可以分為：助推滑翔高超聲速飛行器、吸氣式高超聲速飛行器以及空天飛機等3種主要類型。

助推滑翔高超聲速飛行器自身不攜帶持續(xù)飛行的動力源，而是通過助推火箭達到高超聲速或從近地軌道離軌再入大氣層后，巧妙利用其乘波體或雙錐體氣動外形設(shè)計產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)進行遠距離高效滑翔飛行。美國的“高超聲速滑翔飛行器”（HTV-2）、“先進高超聲速武器”（AHW）和俄羅斯的“先鋒”陸基洲際高超聲速導(dǎo)彈，都屬于助推滑翔高超聲速飛行器。目前，助推滑翔高超聲速飛行器有兩種彈道方案。

——桑格爾彈道。桑格爾彈道的工作原理類似“打水漂”，呈現(xiàn)出跳躍滑翔的特點。飛行器被火箭送入亞軌道高度后，在大氣層邊緣跳躍滑翔，飛行軌跡上下波動起伏，飛行路徑難以預(yù)測。

——錢學(xué)森彈道。錢學(xué)森彈道是一種近似平飛的助推－滑翔彈道。再入大氣層后，飛行器會依靠空氣動力進行平衡滑翔。這種彈道設(shè)計極大增加了飛行器的射程，降低了飛行過程中對飛行器壓力值的要求。

吸氣式高超聲速飛行器以自身攜帶的發(fā)動機為動力源，其在大氣層內(nèi)的飛行全程可操控。與助推滑翔高超聲速飛行器相比，吸氣式高超聲速飛行器在強動力源的驅(qū)動下，具有更強的自主機動能力，飛行軌跡更難預(yù)測。吸氣式高超聲速飛行器主要包括高超聲速巡航導(dǎo)彈和高超聲速飛機兩種類型。

——高超聲速巡航導(dǎo)彈。與助推滑翔導(dǎo)彈相比，高超聲速巡航導(dǎo)彈可以更有效地打擊運動中的目標，甚至能“繞過”障礙物來打擊目標。它具有飛行速度快、突防能力強、打擊效能好等優(yōu)點，已成為實施現(xiàn)代戰(zhàn)爭遠程精確打擊的重要武器。目前，高超聲速巡航導(dǎo)彈正向著高速度、高精度、隱形化的方向發(fā)展。俄羅斯2023年列裝的“鋯石”海基高超聲速巡航導(dǎo)彈，便是高超聲速巡航導(dǎo)彈的典型代表?！颁喪弊畲笊涑虨?000公里，可從護衛(wèi)艦、巡洋艦和潛艇上發(fā)射。

——高超聲速飛機。高超聲速飛機突破了現(xiàn)有飛機高度和速度的限制，具有可重復(fù)使用、寬速域飛行的技術(shù)優(yōu)勢，目前正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。不少業(yè)內(nèi)人士認為，高超聲速飛機會是未來飛行器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。歐洲宇航局長期致力于高超聲速飛機技術(shù)研究，其遠景目標是發(fā)展一型只需2到3小時就能從歐洲飛到亞洲和大洋洲的高超聲速民用飛機。

空天飛機能像普通飛機一樣在水平跑道上起飛。當它上升到30至100公里的高空后，飛行速度就可達到驚人的12到25馬赫——這樣的速度足以讓它直接加速進入地球軌道，轉(zhuǎn)變?yōu)楹教祜w行器。完成太空任務(wù)后，空天飛機又能重返大氣層，像普通飛機一樣在機場著陸，實現(xiàn)天地之間的自由往返。相較于其他類型的高超聲速飛行器，空天飛機目前仍處于研究探索階段，技術(shù)還不是很成熟。美國的X-37B已經(jīng)在多次試驗中驗證了其長期在軌飛行、軌道機動、自主返回等方面的能力，被認為是未來太空戰(zhàn)斗機的雛形。

“極速傳奇”面臨多重技術(shù)考驗

高超聲速飛行器的魅力不僅在于其驚人的速度，更在于其背后所蘊含的科技創(chuàng)新與突破。為了實現(xiàn)高超聲速飛行，科研人員需要解決一系列復(fù)雜的技術(shù)難題，如動力推進技術(shù)、制導(dǎo)與控制技術(shù)、新型材料和熱防護技術(shù)等。

動力推進技術(shù)是讓飛行器疾馳如風的“動力源泉”。在高超聲速飛行器穿越云霄的征途中，動力推進技術(shù)就是打開高速大門的金鑰匙。想象一下，讓一個重達數(shù)噸的飛行器在空氣稀薄的高空中以數(shù)倍聲速疾馳，需要多么強大的發(fā)動機提供足夠的推力！目前，超燃沖壓發(fā)動機是這一領(lǐng)域的明星技術(shù)，它可以在大氣中有效獲取氧氣，并且在高超聲速條件下穩(wěn)定燃燒。當燃燒室內(nèi)氣流流速超過聲速時，會形成復(fù)雜的激波系，激波前后氣流狀態(tài)會產(chǎn)生突變。在這種條件下點火并穩(wěn)定燃燒，好比在12級狂風中點燃一根火柴。此時，常規(guī)的發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)完全不能適用，只有超燃沖壓發(fā)動機才能在極短時間內(nèi)將大量燃料轉(zhuǎn)化為推力，并讓飛行器加速穩(wěn)定在高超聲速。

制導(dǎo)與控制技術(shù)是確保飛行器精準飛行的“智慧大腦”。當高超聲速飛行器以極高速度穿越大氣層時，如何確保它能夠按照預(yù)定軌跡飛行，并準確到達目的地？這就需要依靠制導(dǎo)與控制技術(shù)了。這項技術(shù)能夠在復(fù)雜的飛行環(huán)境中，實時計算飛行器的位置和速度，并隨時調(diào)整其飛行姿態(tài)。

想要保證地面操作人員對飛行器的穩(wěn)定控制，通信是關(guān)鍵。飛行器以高超聲速飛行時，周圍會產(chǎn)生等離子體鞘套，從而影響通信質(zhì)量?？茖W(xué)家正在通過研發(fā)先進的通信技術(shù)解決這一問題，確保飛行器在高速飛行中的通信暢通無阻。

新型材料和熱防護技術(shù)則為飛行器披上了“高溫鎧甲”。高超聲速飛行器在飛行過程中，會承受極高的溫度和壓力。為了確保飛行器能夠安全穿越大氣層，新型材料和熱防護技術(shù)應(yīng)運而生。新型材料能夠承受數(shù)千攝氏度的高溫，保護飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受損害，如超高溫陶瓷復(fù)合材料和高熵過渡金屬碳化物陶瓷。熱防護系統(tǒng)則通過多層材料和主動冷卻技術(shù)，將飛行器表面的熱量迅速散發(fā)，確保飛行器在高溫環(huán)境中穩(wěn)定運行。這些技術(shù)都可以讓飛行器在極端環(huán)境中“安穩(wěn)無憂”。

極致的競速，激烈的角逐

一些國家將高超聲速飛行器列為重點發(fā)展領(lǐng)域，紛紛根據(jù)本國技術(shù)實力和研發(fā)特點擬定發(fā)展計劃，力圖在未來激烈的戰(zhàn)略競爭和軍事競爭中搶占先機、贏得主動。

美國一直在積極發(fā)展高超聲速武器作為其“常規(guī)快速全球打擊”計劃的一部分，可用于局部戰(zhàn)爭的中近程高超聲速武器更是其重點發(fā)展對象。總體來看，美國高超聲速導(dǎo)彈譜系完備，既涵蓋了巡航導(dǎo)彈和助推滑翔導(dǎo)彈，又涵蓋了空基、陸基和?；确绞?，有多個面向?qū)崙?zhàn)部署的高超聲速武器項目和前沿研究項目，投資金額達到百億美元。如美國陸軍的“遠程高超聲速武器”項目、海軍的“常規(guī)快速打擊”項目、空軍的“空射快速反應(yīng)武器”項目等，都是研發(fā)的重點。不過，由于美軍在高超聲速武器發(fā)展上有些“好高騖遠”和“互相掣肘”，目前這些項目都還處于原型樣機階段。

俄羅斯將高超聲速武器作為突破美國導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和保持與美國戰(zhàn)略平衡的重要手段。在“非對稱”戰(zhàn)略牽引下，俄羅斯高度重視高超聲速導(dǎo)彈技術(shù)研發(fā)，將研制和部署高超聲速導(dǎo)彈列為《2018年至2027年國家武器裝備發(fā)展綱要》的重大優(yōu)先事項。目前，俄羅斯開展了10多次飛行試驗，已實現(xiàn)“匕首”“先鋒”“鋯石”三型高超聲速武器的部署列裝，“匕首”高超聲速導(dǎo)彈已完成實戰(zhàn)化運用。

此外，法國、英國、澳大利亞、德國、日本、印度、伊朗等國家也正在穩(wěn)步開展高超聲速導(dǎo)彈研制工作。2023年，法國成功測試V-MAX高超聲速導(dǎo)彈，成為歐盟首個掌握高超聲速技術(shù)的國家；英國持續(xù)推進高超聲速動力技術(shù)攻關(guān)，并在全尺寸“佩刀”發(fā)動機預(yù)冷卻器技術(shù)方面實現(xiàn)重大突破；澳大利亞利用與美國合作的“南十字星綜合飛行研究實驗”項目，發(fā)展高超聲速吸氣式武器技術(shù)；德國通過參與歐盟ATLLAS II項目，設(shè)計和試驗高超聲速飛行器；日本大力推進“高超聲速巡航彈”和“超高速滑翔彈”項目……

除了滿足軍事需求，高超聲速飛行器還能在民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。航空運輸方面，高超聲速飛行器可以大幅縮短旅行時間，實現(xiàn)“天涯若比鄰”的美好愿景。美國波音公司、歐洲宇航局等先后推出了高超聲速客機的概念及相關(guān)技術(shù)方案。英國一家公司正在研發(fā)全電及混合電力推進的高超聲速民用飛機。俄羅斯正致力于開發(fā)一款全新的高超聲速貨運無人機，其以液態(tài)氫為燃料，能以驚人的15馬赫速度飛行——這意味著它幾乎可以在極短時間內(nèi)跨越大洲大洋，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)快速貨運。

展望未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，高超聲速飛行器將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢和價值。